介质调制复合交叠栅功率器件制造技术

本发明专利技术公开了一种介质调制复合交叠栅功率器件，主要解决现有场板技术在实现高击穿电压时工艺复杂的问题。其包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、台面(6)、绝缘介质层(7)、钝化层(8)和保护层(13)，势垒层(3)上淀积有源极(4)与漏极(5)，钝化层(8)内刻有栅槽(9)与凹槽(10)，其中栅槽靠近源极，凹槽靠近漏极，且栅槽的深度等于钝化层的厚度，凹槽(10)中完全填充有高介电常数介质(11)，在栅槽内、栅槽与漏极之间的钝化层上部及高介电常数介质上部淀积有交叠栅(12)，高介电常数介质与交叠栅构成复合交叠栅。本发明专利技术具有工艺简单、击穿电压高、场板效率高、可靠性高和成品率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
介质调制复合交叠栅功率器件
本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件，特别是介质调制复合交叠栅功率器件，可作为电力电子系统的基本器件。技术背景功率半导体器件是电力电子系统的重要元件，是进行电能处理的有效工具。近年来，随着能源和环境问题的日益突出，研发新型高性能、低损耗功率器件已成为提高电能利用率、节约能源、缓解能源危机的有效途径之一。然而，在功率器件研究中，高速、高压与低导通电阻之间存在着严重的制约关系，合理、有效地改进这种制约关系是提高器件整体性能的关键。随着市场不断对功率系统提出更高效率、更小体积、更高频率的要求，传统Si基半导体功率器件性能已逼近其理论极限。为了能进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻、提高击穿电压、降低整机体积、提高整机效率，以氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，凭借其更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和更高的电子饱和漂移速度，且化学性能稳定、耐高温、抗辐射等突出优点，在制备高性能功率器件方面脱颖而出，应用潜力巨大。特别是采用GaN基异质结结构的高电子迁移率晶体管，即GaN基HEMT器件，更是因其低导通电阻、高工作频率等特性，能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求，在经济和军事领域具有广阔和特殊的应用前景。然而，常规GaN基HEMT器件结构上存在固有缺陷，会导致器件沟道电场强度呈畸形分布，尤其是在器件栅极靠近漏极附近存在极高电场峰值。导致实际的GaN基HEMT器件的击穿电压往往远低于理论期望值，且存在电流崩塌、逆压电效应等可靠性问题，严重制约了在电力电子领域中的应用和发展。为了解决以上问题，国内外研究者们提出了众多方法，而场板结构是其中效果最为显著、应用最为广泛的一种。2000年美国UCSB的N.Q.Zhang等人首次将场板结构成功应用于GaN基HEMT功率器件中，研制出交叠栅器件，饱和输出电流为500mA/mm，关态击穿电压可达570V，这是当时所报道击穿电压最高的GaN器件，参见HighbreakdownGaNHEMTwithoverlappinggatestructure,IEEEElectronDeviceLetters,Vol.21,No.9,pp.421-423,2000。随后，各国研究机构纷纷展开了相关的研究工作，而美国和日本是该领域中的主要领跑者。在美国，主要是UCSB、南卡大学、康奈尔大学以及著名的电力电子器件制造商IR公司等从事该项研究。日本相对起步较晚，但他们对这方面的工作非常重视，资金投入力度大，从事机构众多，包括：东芝、古河、松下、丰田和富士等大公司。随着研究的深入，研究者们发现相应地增加场板长度，可以提高器件击穿电压。但场板长度的增加会使场板效率，即击穿电压比场板长度，不断减小，也就是场板提高器件击穿电压的能力随着场板长度的增加逐渐趋于饱和，参见EnhancementofbreakdownvoltageinAlGaN/GaNhighelectronmobilitytransistorsusingafieldplate,IEEETransactionsonElectronDevices,Vol.48,No.8,pp.1515-1521,2001，以及Developmentandcharacteristicanalysisofafield-platedAl2O3/AlInN/GaNMOSHEMT,ChinesePhysicsB,Vol.20,No.1,pp.0172031-0172035,2011。因此，为了进一步提高器件击穿电压，同时兼顾场板效率，2008年日本东芝公司的WataruSaito等人采用栅场板和源场板的双层场板结构研制出了双层场板绝缘栅型GaN基HEMT器件，该器件击穿电压高达940V，最大输出电流高达4.4A，参见A130-WBoostConverterOperationUsingaHigh-VoltageGaN-HEMT,IEEEElectronDeviceLetters,Vol.29,No.1,pp.8-10,2008。这种双层场板结构已成为当前国际上用来改善GaN基功率器件击穿特性，提高器件整体性能的主流场板技术。然而，GaN基双层场板HEMT器件的结构和制造工艺过于复杂，制造成本高，每一层场板的制作都需要光刻、淀积金属、淀积钝化介质等工艺步骤。而且要优化各层场板下介质材料厚度以实现击穿电压最大化，必须进行繁琐的工艺调试和优化，因此大大增加了器件制造的难度，降低了器件的成品率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种结构简单、击穿电压高、场板效率高和可靠性高的介质调制复合交叠栅功率器件，以减小器件的制作难度，改善器件的击穿特性和可靠性，提高器件的成品率。为实现上述目的，本专利技术提供的器件结构采用GaN基宽禁带半导体材料构成的异质结结构，自下而上包括：衬底、过渡层、势垒层、绝缘介质层、钝化层和保护层，势垒层的上面淀积有源极与漏极，势垒层的侧面刻有台面，且台面的深度大于势垒层的厚度，其特征在于，在源极与漏极之间的钝化层内刻有栅槽与凹槽，其中栅槽靠近源极，凹槽靠近漏极，且栅槽的深度等于钝化层的厚度，栅槽内、栅槽与漏极之间的钝化层上及高介电常数介质上淀积有交叠栅，在凹槽内完全填充有高介电常数介质，该交叠栅与高介电常数介质构成复合交叠栅。作为优选，所述的绝缘介质层的厚度e为2～63nm。作为优选，所述的凹槽深度s为0.26～9.7μm，宽度b为0.59～8.1μm。作为优选，所述的凹槽底部与绝缘介质层之间的距离d为0.083～0.78μm。作为优选，所述的交叠栅靠近漏极一侧边缘与凹槽靠近漏极一侧边缘之间的距离c为0.8～9.9μm。作为优选，所述的凹槽靠近栅槽一侧边缘与栅槽靠近漏极一侧边缘之间的距离a为s×(d+e×ε2/ε1+s×ε2/ε3)0.5，其中s为凹槽深度，d为凹槽底部与绝缘介质层之间的距离，e为绝缘介质层厚度，ε1为绝缘介质层的相对介电常数，ε2为钝化层的相对介电常数，ε3为高介电常数介质的相对介电常数。作为优选，所述的钝化层的相对介电常数ε2和高介电常数介质的相对介电常数ε3的取值范围为1.5～2000，且ε2<ε3。为实现上述目的，本专利技术制作介质调制复合交叠栅功率器件的方法，包括如下过程：1)在衬底上外延GaN基宽禁带半导体材料，形成过渡层；2)在过渡层上外延GaN基宽禁带半导体材料，形成势垒层；3)在势垒层上第一次制作掩膜，利用该掩膜在势垒层的两端淀积金属，再在N2气氛中进行快速热退火，分别制作源极与漏极；4)在势垒层上第二次制作掩膜，利用该掩膜在源极左侧与漏极右侧的势垒层上进行刻蚀，且刻蚀区深度大于势垒层厚度，形成台面；5)分别在源极上部、漏极上部以及源极与漏极之间的势垒层上部淀积厚度e为2～63nm的绝缘介质层；6)在绝缘介质层上部淀积绝缘介质材料，以制作钝化层；7)在钝化层上第三次制作掩膜，利用该掩膜在源极与漏极之间的钝化层内进行刻蚀，且刻蚀至绝缘介质层的上表面为止，以制作栅槽；8)在钝化层上第四次制作掩膜，利用该掩膜在栅槽与漏极之间的钝化层内进行刻蚀，以制作深度s为0.26～9.7μm，宽度b为0.59～8.1μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介质调制复合交叠栅功率器件，自下而上包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、绝缘介质层(7)、钝化层(8)和保护层(13)，势垒层(3)的上面淀积有源极(4)与漏极(5)，势垒层(3)的侧面刻有台面(6)，且台面的深度大于势垒层的厚度，其特征在于，在源极(4)与漏极(5)之间的钝化层内刻有栅槽(9)与凹槽(10)，其中栅槽(9)靠近源极，凹槽(10)靠近漏极，且栅槽的深度等于钝化层的厚度，栅槽(9)内、栅槽与漏极之间的钝化层(8)上部及高介电常数介质(11)上部淀积有交叠栅(12)，在凹槽(10)内完全填充有高介电常数介质(11)，该交叠栅(12)与高介电常数介质(11)构成复合交叠栅。

【技术特征摘要】
1.一种介质调制复合交叠栅功率器件，自下而上包括：衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、绝缘介质层(7)、钝化层(8)和保护层(13)，势垒层(3)的上面淀积有源极(4)与漏极(5)，势垒层(3)的侧面刻有台面(6)，且台面的深度大于势垒层的厚度，其特征在于，在源极(4)与漏极(5)之间的钝化层内刻有栅槽(9)与凹槽(10)，其中栅槽(9)靠近源极，凹槽(10)靠近漏极，且栅槽的深度等于钝化层的厚度，栅槽(9)内、栅槽与漏极之间的钝化层(8)上部及高介电常数介质(11)上部淀积有交叠栅(12)，在凹槽(10)内完全填充有高介电常数介质(11)，该交叠栅(12)与高介电常数介质(11)构成复合交叠栅；所述凹槽(10)的深度s为0.26～9.7μm，宽度b为0.59～8.1μm；凹槽(10)底部与绝缘介质层(7)之间的距离d为0.083～0.78μm；绝缘介质层的厚度e为2～63nm。2.根据权利要求1所述的介质调制复合交叠栅功率器件，其特征在于钝化层的相对介电常数ε2和高介电常数介质的相对介电常数ε3的取值范围为1.5～2000，且ε2<ε3。3.根据权利要求1所述的介质调制复合交叠栅功率器件，其特征在于凹槽靠近栅槽一侧边缘与栅槽靠近漏极一侧边缘之间的距离a为s×(d+e×ε2/ε1+s×ε2/ε3)0.5，其中s为凹槽深度，d为凹槽底部与绝缘介质层之间的距离，e为绝缘介质层厚度，ε1为绝缘介质层的相对介电常数，ε2为钝化层的相对介电常数，ε3为高介电常数介质的相对介电常数；凹槽靠近漏极一侧边缘与交叠栅靠近漏极一侧边缘之间的距离c为0.8～9.9μm。4.根据权利要求1所述的介质调制复合交叠栅功率器件，其特征在于衬底(1)采用蓝宝石或碳化硅或硅材料。5.一种制作介质调制复合交叠栅功率器件的方法，包括如下过程：1)在衬底(1)上外延GaN基宽禁带半导体材料，形成过渡层(2)；2)在过渡层上外延GaN基宽禁带半导体材料，形成势垒层(3)；3)在势垒层(3)上第一次制作掩膜，利用该掩膜在势垒层(3)的两端淀积金属，再在N2气氛中进行快速热退火，分别制作源极(4)与漏极(5)；4)在势垒层(3)上第二次制作掩膜，利用该掩膜在源极(4)左侧与漏极(5)右侧的势垒层(3)上进行刻蚀，且刻蚀区深度大于势垒层(3)厚度，形成台面(6)；5)分别在源极(4)上部、漏极(5)上部以及源极(4)与漏极(5)之间的势垒层(3)上部淀积厚度e为2～...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛维，葛安奎，郝跃，边照科，石朋毫，张进成，马晓华，张金风，杨林安，曹艳荣，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61